CN109355549B - 一种具有高强度和优异低温韧性的钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢材制造领域，涉及一种具有高强度和优异低温韧性的钢板及其制造方法。在铁素体+奥氏体两相区进行温变形，轧后直接空冷至室温，不需要控制冷却。钢板的组织特征是全厚度方向上具有拉长的超细晶组织，晶粒尺寸小于3μm，且具有较强的α和γ纤维织构。本发明的厚钢板化学成分为普碳钢或微合金钢，其化学成分包含：C：0.03～0.30％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.0～2.0％、P＜0.10％、S＜0.10％、Al＜0.10％、Nb：0～0.10％、V：0～0.10％、Ti：0～0.05％、N：0.0020～0.010％，Mo：0～0.5％，Cr：0～1.0％，Ni：0～1.0％，余量为Fe。此种成分体系下，开发的钢板，屈服强度大于500MPa，韧脆转变温度低于‑120℃，伸长率大于25％。此种钢板可应用于对强韧性要求高，尤其是对低温韧性要求高的领域。

Description

一种具有高强度和优异低温韧性的钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性的钢板及其制造方法，尤其是屈服强度大于500MPa，韧脆转变温度低于-120℃，伸长率大于25％的具有高强度和优异低温韧性的钢板及其制造方法。

背景技术

为了减重和保证安全性，要求钢材具有高的强度和高的韧性。为了减少资源和能源的消耗，制造业提出了“绿色制造”的概念。即要求不添加或少添加合金元素量来生产所需性能的钢材。

常见的生产高强度高韧性钢板的方法为控轧控冷工艺，即两阶段控轧+轧后控制冷却，且通常加热温度在1200℃左右。对于500MPa级以上的高强钢，组织基本上以贝氏体或针状铁素体为主。为了生成此种类型的组织，同时保证高的韧性，需添加一定量的Cr、Mo或Ni等贵重元素或轧后进行调制处理。

CN101705439公开了一种开发高低温韧性F460级高强船板的方法。添加0.10％～0.30％Cr和0.15～0.40％Ni。工艺上，加热温度在1180～1250℃范围内，且保温2～3小时。轧后控制冷却，要求冷却速度在7～10℃/s范围内，终冷温度在450～500℃范围内。

CN101948987公开了一种高强韧钢板的制造方法。除C、Si和Mn等基础成分之外，添加一定量的Cr和B，以增加淬透性。采用控轧控冷+淬火+高温回火的工艺路线。加热温度在1200℃左右，轧后终冷温度在600～700℃，淬火温度为860～910℃，回火温度为500～630℃。

常规工艺生产高强韧钢存在的问题在于高的加热温度，消耗能源多；添加大量的合金元素或采用调质处理(淬火+高温回火)，消耗资源多；轧后冷却整板组织均匀性、厚向组织均匀性及上下表面组织均匀性很难达到要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有高强度和优异低温韧性的钢板及其制造方法，采用两相区温变形的工艺来开发此种类型的钢材。此种工艺，钢材的成分除C、Si和Mn外，只需添加少量的Nb、V或Ti即可，不需要添加Cr、Mo和Ni元素。钢坯的加热温度在两相区，温度低于900℃，且轧后空冷即可，不需要控制冷却。本发明可解决常规工艺开发高强钢存在的上述问题，也为高强韧钢板的开发提供一种可靠的路径。

具体技术方案如下：

一种具有高强度和优异低温韧性的钢板，为普碳钢或微合金钢，包含的成分及质量百分数为：C：0.03～0.30％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.0～2.0％、P＜0.10％、S＜0.10％、Al＜0.10％、Nb：0～0.10％、V：0～0.10％、Ti：0～0.05％、N：0.0020～0.010％，Mo：0～0.5％，Cr：0～1.0％，Ni：0～1.0％，余量为Fe。其组织特点在于，全厚度方向上具有拉长的超细晶组织，晶粒尺寸小于3μm；具有强烈的织构，织构由α纤维织构和γ纤维织构组成。

具有高强度和优异低温韧性的钢板的制造方法，具体步骤如下：

(1)按照质量百分数冶炼钢坯，化学成分C：0.03～0.30％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.0～2.0％、P＜0.10％、S＜0.10％、Al＜0.10％、Nb：0～0.10％、V：0～0.10％、Ti：0～0.05％、N：0.0020～0.010％，Mo：0～0.5％，Cr：0～1.0％，Ni：0～1.0％，余量为Fe；

(2)把钢坯加热至两相区，同时保持铁素体相为基体，即铁素体的体积分数大于80％；随后，进行轧制变形，总变形量大于60％；变形完成之后，空冷至室温即可，无需控制冷却。

所述钢板屈服强度大于500MPa，韧脆转变温度低于-120℃，伸长率大于25％。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

(1)成本低。同等性能下，本发明中的钢材，不需要添加Cr和Ni等贵重元素提来高淬透性，增加强度。这可显著节约资源，降低成本。

(2)生产简单。本发明中钢板的生产过程，轧后空冷即可，不需要控制冷却，这使得本发明中钢板的生产简单，易于控制。此外，控制冷却，很难保证钢板厚度方向、宽度方向和长度方向的组织性能均匀性。因此，本发明中的钢板，在组织均匀性上，具有很大的优势。

(3)生产效率高。本发明中钢板的生产过程中，和常规的控轧控冷工艺不同，不需要把钢坯加热到1200℃，只需加热到两相区即可，可显著提高生产效率，同时节约资源。

附图说明

图1为实施例1～3钢板的冲击韧性。

图2为实施例1钢板组织的EBSD分析结果。其中，左图为晶界分布图，右图为织构。其中粗黑线表示大角晶界，取向差大于15°，细黑线表示小角晶界，取向差2°～15°。

图3为实施例2钢板组织的EBSD分析结果。其中，左图为晶界分布图，右图为织构。其中粗黑线表示大角晶界，取向差大于15°，细黑线表示小角晶界，取向差2°～15°。

图4为实施例3钢板组织的EBSD分析结果。其中，左图为晶界分布图，右图为织构。其中粗黑线表示大角晶界，取向差大于15°，细黑线表示小角晶界，取向差2°～15°。

图5为TMCP工艺钢板组织的EBSD分析结果。其中，左图为晶界分布图，右图为织构。其中粗黑线表示大角晶界，取向差大于15°，细黑线表示小角晶界，取向差2°～15°。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受附图和实施例所限。

一种成本低、生产简单具有高强度和优异低温韧性的钢板，其化学成分质量百分数为C：0.03～0.30％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.0～2.0％、P＜0.10％、S＜0.10％、Al＜0.10％、Nb：0～0.10％、V：0～0.10％、Ti：0～0.05％、N：0.0020～0.010％，Mo：0～0.5％，Cr：0～1.0％，Ni：0～1.0％，余量为Fe；

实施例1：

按照上述化学成分进行冶炼，实际化学成分质量百分数如下：C-0.10％、Si-0.32％，Mn-1.5％，P-0.015％，S-0.003％，Nb-0.04％，V-0.06％，Ti-0.015％，剩余为Fe。

将钢坯加热至810℃，并保温1h，使钢坯温度均匀。随后进行温变形，最终板厚7mm，厚向总压下率为76％。轧制过程中，如钢坯温降太大，可将钢坯返至加热炉中补热。轧后，无需控制冷却，钢板空冷至室温即可

实施例2：

按照上述化学成分进行冶炼，实际化学成分为如下：

C-0.03％、Si-0.10％，Mn-1.0％，P-0.03％，S-0.03％，Nb-0.02％，V-0.02％，Ti-0.010％，剩余为Fe。

将钢坯加热至780℃，并保温1h，使钢坯温度均匀。随后进行温变形，最终板厚7mm，厚向总压下率为76％。轧制过程中，如钢坯温降太大，可将钢坯返至加热炉中补热。轧后，无需控制冷却，钢板空冷至室温即可。

实施例3：

按照上述化学成分进行冶炼，实际化学成分为如下：

C-0.30％、Si-0.50％，Mn-2.0％，P-0.02％，S-0.02％，Nb-0.10％，V-0.10％，Ti-0.05％，剩余为Fe。

将钢坯加热至810℃，并保温1h，使钢坯温度均匀。随后进行温变形，最终板厚7mm，厚向总压下率为76％。轧制过程中，如钢坯温降太大，可将钢坯返至加热炉中补热。轧后，无需控制冷却，钢板空冷至室温即可。

对比例

板厚为7mm。粗轧过程的开轧温度为1070℃，终轧温度为1050℃。精轧过程的开轧温度为900℃，终轧温度为880℃，轧后空冷至室温。

拉伸性能检测：沿钢板的轧制方向，加工圆棒拉伸试样，试样平行区直径为5mm，原始标距为25mm。在Instron 4206拉伸实验机上进行拉伸实验，采用横梁控制模式，速度为3mm/min。

冲击韧性检测：沿钢板的轧制方向，加工尺寸为厚5mm×宽10mm×长55mm的半厚度夏比冲击试样，并在长度方向中间位置沿厚度方向开标准的V形缺口。按照国标GB/T 229–2007在美特斯ZBC2452-B摆锤实验机上进行冲击实验，实验温度在20～-196℃之间，每个温度做三个试样，冲击能量值取三个实验结果的平均值。

组织观察：在钢板的1/4宽度位置取金相试样，采用ZEISS ULTRA55场发射扫描电镜对1/4厚度位置的组织进行EBSD分析。

实施例钢板的强度和伸长率

实施例1～3钢板和对比例钢板的强度和伸长率如表1所示，可以看出，实施例中的钢板相对TMCP工艺的钢板，具有更高的强度，屈服强度提高64～158MPa，抗拉强度提高52～118MPa。虽然实施例中钢板的伸长率均低于TMCP工艺钢板的伸长率，但整体处于较高水平，在25％以上。

表1实施例1～3钢板和对比例钢板的强度和伸长率

工艺	屈服强度，MPa	抗拉强度，MPa	伸长率，％
				温变形-810℃	518	597	32.7
温变形-780℃	563	619	29.4
				温变形-750℃	612	663	25.8
TMCP工艺	454	545	37.8

实施例钢板的冲击韧性：实施例钢板的冲击韧性如图2所示。对于作为对比的TMCP工艺钢板，冲击功温度曲线上，上平台(20～-40℃)后，随着温度的降低，出现冲击功快速降低的现象，韧脆转变温度为-108℃。实施例1～3中的钢板，均具有高的韧性，尤其是具有优异的低温韧性，低温阶段，冲击功随着温度的降低，比较缓慢。实施例1～3钢板的韧脆转变温度分别为-149℃、-125℃和-135℃，韧脆转变温度低于-120℃。

实施例钢板的组织：实施例1～3钢板组织的EBSD分析如图2～4所示。三个实施例中钢板的组织均实现了超细化，平均晶粒尺寸分别为2.8μm、2.0μm和1.6μm。组织呈压扁状，均包含一定量的小角晶界。实施例钢板具有较强的α纤维织构和γ纤维织构。TMCP工艺下钢板的组织较为粗大，铁素体晶粒尺寸为6.8μm，且织构很弱。

Claims (2)

1.一种具有高强度和优异低温韧性的钢板，其特征在于，为普碳钢或微合金钢，包含的成分及质量百分数为：C：0.03～0.30％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.0～2.0％、P＜0.10％、S＜0.10％、Al＜0.10％、Nb：0～0.10％、V：0～0.10％、Ti：0～0.05％、N：0.0020～0.010％，Mo：0～0.5％，Cr：0～1.0％，Ni：0～1.0％，余量为Fe；其组织特点在于，全厚度方向上具有拉长的超细晶组织，晶粒尺寸小于3μm；具有强烈的织构，织构由α纤维织构和γ纤维织构组成；所述钢板屈服强度大于500MPa，韧脆转变温度低于-120℃，伸长率大于25％。

2.根据权利要求1所述的具有高强度和优异低温韧性的钢板的制造方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)按照质量百分数冶炼钢坯，化学成分C：0.03～0.30％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.0～2.0％、P＜0.10％、S＜0.10％、Al＜0.10％、Nb：0～0.10％、V：0～0.10％、Ti：0～0.05％、N：0.0020～0.010％，Mo：0～0.5％，Cr：0～1.0％，Ni：0～1.0％，余量为Fe；

(2)把钢坯加热至两相区，同时保持铁素体相为基体，即铁素体的体积分数大于80％；随后，进行轧制变形，总变形量大于60％；变形完成之后，空冷至室温即可，无需控制冷却。

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